Wokół nas

Zjawiska atmosferyczne: deszcz, śnieg, mgła, grad, rosa, szron, chmury, burza
Strona 1 z 5
Wokół nas
Zjawiska atmosferyczne
Chmury składają się z miliardów maleńkich kropelek
wody i kryształków lodu. Pojedyncze kropelki tworzące
chmurę powstają wtedy, gdy wilgotne i ciepłe powietrze
staje się w wyniku wędrówki ku górze na tyle chłodne, że
zawarta w nim para wodna ulega skropleniu. Kropelki,
początkowo małe, zbierają się wokół pyłków kurzu oraz
innych mikroskopijnych cząstek. Wznosząc się wraz z
prądami powietrza, kropelki zderzają się i łączą ze sobą
tworząc stopniowo większe krople. Jeśli chmura wejdzie
w strefę ciepłego powietrza to wyparowuje.
Deszcz powstaje gdy łączące się kropelki chmury na
wskutek wzajemnych zderzeń są na tyle duże, aby
pokonać opór powietrza i spaść na Ziemie. Na kropelkę
wody w powietrzu bowiem działają dwie siły: ciężkości i
oporu powietrza. Dla małych kropelek siły te równoważą się przy bardzo małych prędkościach,
czym większe są kropelki wody to równowaga zachowana jest przy większych prędkościach.
Niektóre krople deszczu powstają w inny sposób. Początkowo znajdują się w górnej, zimnej
części chmur, gdzie mają postać śniegu lub kryształków lodu, po czym, gdy znajdą się w
zalegającym niżej ciepłym powietrzu, topnieją i spadają na ziemię jako deszcz. Prawdopodobnie
co najmniej połowa opadów deszczu powstaje w ten sposób.
Najmniejsze krople deszczu, określane jako mżawka, opadają na ziemię
tak powoli, że wydają się stać w powietrzu. Największe krople mają
prawie 6 mm średnicy i spadają z prędkością 8 m/s.
Grad powstaje gdy drobne kropelki wody znajdujące się w górnej zimnej
części chmur, zamarzają, tworząc grudki lodu. Mogą mieć one duże
rozmiary. Rosną bowiem oblepiane kropelkami wody, które natychmiast
zamarzają.
Rosa tworzy się po ciepłym dniu gdy po zmroku powierzchnia Ziemi
ochładza się. Nasycone parą wodną powietrze spotyka się z chłodniejszą
powierzchnią np. liści lub trawy. Jeśli temperatura spadnie poniżej
punktu rosy (temperatura, w której para wodna w powietrzu nasyca się)
to wówczas para wodna ulega skropleniu.
Szron powstaje gdy punkt rosy
przypada
poniżej
punktu
zamarzania czyli poniżej 0°C.
Jeśli przy temperaturze poniżej 0°C nasycone parą wodną
powietrze styka się z przedmiotami ochłodzonymi para
wodna przechodzi bezpośrednio ze stanu gazowego w
drobne kryształki (igiełki) lodu. Jest to proces
resublimacji. Kryształki mogą rosnąć po połączeniu i
czasami tworzą delikatne pierzaste kształty.
Szadź jest to zamrożona rosa. Występuje ona jeśli rosa
powstanie, zanim temperatura opadnie poniżej 0°C, a
następnie zamarza.
Mgła podobnie jak szron i rosa, tworzy się w powietrzu nasyconym parą wodną. W pewnych
warunkach, zależnych między innymi od temperatury powietrza, para skrapla się, tworząc drobne
kropelki. Są za małe i za lekkie, aby mogły spaść na ziemię tak, jak kropelki tworzące chmurę.
Mgła jest więc chmurą znajdującą się przy powierzchni Ziemi. Powstaje też przy zetknięciu się
ciepłej masy powietrza z zimną lub przez ochłodzenie się wilgotnego powietrza wznoszącego się
w górę wzdłuż stoków gór.
Powstawanie płatków śniegu
Śnieg to zlepki kryształków lodu
powstające
w
wyniku
bezpośredniej
zmiany
pary
http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_wn2.html
2010-01-06
Zjawiska atmosferyczne: deszcz, śnieg, mgła, grad, rosa, szron, chmury, burza
Strona 2 z 5
wodnej zawartej w powietrzu w lód. Zachodzi tu więc zjawisko resublimacji. Kryształ lodu dzięki
tak zwanych wiązaniach wodorowych ma strukturę heksagonalną. Jego komórka elementarna
(najmniejszy fragment powtarzający się w sieci krystalicznej) ma kształt graniastosłupa o
podstawie sześciokąta. Stąd kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii co przesądza o
kształcie płatków śniegu.
Płatki śniegu powstają w chmurach, gdzie znajduje się duże nasycenie pary wodnej. Gdy
temperatura staje się ujemna i znajdzie się jakieś centrum krystalizacji na przykład drobinka
kurzu lub pyłek kwiatowy i to na nim rozpoczyna się kondensacja cząsteczek wody i tworzenie
kryształu (woda destylowana właśnie z powodu braku drobnych zanieczyszczeń może być w
stanie ciekłym nawet w temperaturze -40°C).
Tworzące się płatki mogą mieć, zależnie od temperatury i wilgotności powietrza różne kształty.
Zazwyczaj są to sześcioramienne
symetryczne gwiazdki. Mogą też
mieć kształt płaskich sześciokątnych
płytek, igiełek, słupków, krążków, a
czasem
nieregularnych
brył.
Najpierw wszystkie kryształki lodu
rosną tak samo, formując sześcian
foremny. W czasie podróży płatka
śniegu w kierunku powierzchni ziemi
zmienia się zarówno wilgotność, jak
i
temperatura
otoczenia.
Na
wystających krawędziach mogą się
tworzyć nowe kryształy inaczej ustawione w przestrzeni niż wcześniejsze formy. Taki proces
może zajść nawet kilka razy od chwili powstania płatka śniegu do momentu, w którym dotknie on
gruntu, dlatego płatki śniegu mogą mieć bardzo złożone kształty. Zachowana jest jednak
symetria bowiem odległość pomiędzy ramionami śniegowej gwiazdki jest na tyle mała, że każde
z ramion rośnie praktycznie w tej samej temperaturze i wilgotności, a to oznacza, że rośnie w
identyczny sposób. Ponieważ wszystkie powstające kryształy tworzą heksagonalną (sześciokątną)
sieć krystaliczną to mają sześciokrotną oś symetrii.
W bardzo niskich temperaturach, poniżej -20°C brak jest w padającym śniegu znaleźć
wymyślnych kształtów podobnych
do
gwiazdek.
Na
ziemskich
biegunach pada śnieg w kształcie
kolumienek czy płaskich płytek o
podstawie sześciokąta. Największe
i
najpiękniejsze
śnieżynki
powstają w przedziale temperatur
od -10°C do -20°C przy dużej
wilgotności powietrza. W takich
warunkach przyjmują one formę
niewielkich płatków o rozmiarach
od 2 do 4 milimetrów. Generalnie,
im
wyższa
wilgotność,
tym
kryształki lodu mają bardziej złożone kształty. Gdy płatki śniegu rozpoczęły życie w warunkach
dużej wilgotności, a potem kontynuowały swój rozwój, gdy wody w powietrzu było znacznie
mniej to na początku kształty mają złożone kształty a wraz z oddalaniem się od środka
kryształka upraszczają się. Z kolei gdy rosnący kryształek z bardziej suchego powietrza wpadnie
w obszar wilgotniejszego, to im dalej od jego środka (od zalążka płatka), tym wzór będzie
bardziej złożony. Gdy temperatura wynosi około -5°C, a wilgotność stosunkowo wysoka śnieg ma
kształt igieł o przekroju sześciokątnym, często krzyżujących się lub pozlepianych ze sobą.
Nie ma dwóch takich samych płatków śniegu, bowiem nawet dla powstałych w bezpośrednim
sąsiedztwie płatków droga na ziemię nigdy nie będzie taka sama. Tak więc wpływ zmiany
temperatury i wilgotności na każdy z nich będzie inny. Poza tym dla każdego płatku inne może
być centrum kondensacji, do którego
przyczepiły się pierwsze cząsteczki wody. A
od kształtu i wielkości tego centrum zależą
pierwsze chwile formowania się płatka
śniegowego. Drugim powodem jest to, że
wodór i tlen występują w naturze w różnych
odmianach. Niektóre cząsteczki wody może
http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_wn2.html
2010-01-06
Zjawiska atmosferyczne: deszcz, śnieg, mgła, grad, rosa, szron, chmury, burza
Strona 3 z 5
tworzyć zamiast zwykłego wodoru deuter, a zamiast tlenu O16 jego izotop O18.
Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
Podręcznik dla gimnazjum wydawnictwa "Nowa Era"
Artykuł z numeru 2/2006 czasopisma "Wiedza i Życie"
Strona internetowa: http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/
Jak powstaje burza?
Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele
zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest
lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie
wznoszenia powietrze się rozpręża i ochładza się.
Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się
chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół.
Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze
zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się
powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli
skrapla. Podczas skraplania wydziela się dużo ciepła (tyle
samo, ile należało dostarczyć, aby woda wyparowała).
Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne
stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia. Ten mechanizm powoduje, że
w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15
km. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska i wynosi około -60°C, więc skondensowane
kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe
kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół
zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz.
Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna
rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr.
Piorun w pewnym sensie przypomina
olbrzymią iskrę elektryczną. Zwykła iskra
powstaje przykładowo, kiedy po przejściu
paru kroków po dywanie chwytamy za
klamkę. Buty trąc o dywan, zbierają zeń
elektrony. Zgromadzony na ciele ładunek
elektryczny
jest
źródłem
pola
elektrycznego, co sprawia, że między
człowiekiem a dowolnym przedmiotem
powstaje różnica potencjałów. Jeśli pole
jest słabe to powietrze zachowuje się jak
dobry izolator. Ale kiedy dłoń zbliżamy się
do klamki natężenie lokalnie wzrasta. Gdy
osiągnie
wartość
krytyczną,
zwaną
napięciem przebicia wynoszącą około 3
mln
V/m,
powietrze
staje
się
przewodnikiem i następuje wyładowanie:
między palcem a klamką przepływa prąd.
Podczas burzy ładunki gromadzą się w
podobny sposób. Rolę butów i dywanów
spełniają drobiny lodu i kropelki pary
wodnej, które przemieszczają się w
chmurze. Nadal nie wiadomo jednak na
czym dokładnie polega ten mechanizm.
Drobiny zderzają się ze sobą i wymieniają
ładunki, przez co przestają być obojętne.
Dzięki prądom wznoszącym i grawitacji
ładunki
następuje
separacja
czyli
rozdzielenie ładunków. Ładunki ujemne
gromadzą się na dole chmury, a dodatnie
na górze. Ujemny ładunek na dnie chmury
http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_wn2.html
2010-01-06
Zjawiska atmosferyczne: deszcz, śnieg, mgła, grad, rosa, szron, chmury, burza
Strona 4 z 5
staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000 V. Ziemia
wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku
ujemnego dołu chmury, że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio.
Olbrzymie napięcie między chmurą a Ziemią wytwarza pole o natężeniach wynoszących tylko 200
tysięcy V/m, a więc jest to pole za małe, aby wyzwolić przepływ ładunku podobnego do iskry,
która przeskakuje, gdy dotyka się klamki. Powstawanie pioruna jest bardziej złożone i nie do
końca wyjaśnione. Najnowsza hipoteza powstawania wyładowań nazywana jest przebiciem z
elektronami ucieczkowymi. Zauważono, że elektrony poruszające się z prędkościami bliskimi
prędkości światła podczas zderzeń z cząstkami powietrza tracą mało energii i są przyspieszane
przez pole elektryczne. Do rozpoczęcia procesu wyładowania potrzebne są więc szybkie
elektrony. Naukowcy twierdzą, że czynnikiem inicjującym wyładowanie może być promieniowanie
kosmiczne, czyli wysokoenergetyczne cząstki lecące z przestrzeni kosmiczne, ewentualnie cząstki
o dużej energii, powstałe z rozpadów jądrowych w atmosferze. Taka szybka cząstka zderza się w
chmurze z cząsteczką powietrza (zazwyczaj tlenu lub azotu), początkując deszcz superszybkich
elektronów. Elektrony te uderzają o cząstki powietrza wybijając z nich następne szybkie
elektrony zwane elektronami ucieczkowymi. Pole elektryczne istniejące między chmurą a ziemią
przyspiesza elektrony, inicjując lawinę elektronów ucieczkowych, które są źródłem rozbłysków
gamma. Elektrony tworzą na swej drodze kanał zwany liderem krokowym lub prekursorem.
Na każdym z odcinków elektrony gromadzące się w czole lidera są źródłem silnego, lokalnego
pola, które przyspiesza więcej elektronów ucieczkowych. Następnie wyhamowują na skutek
zderzeń z cząsteczkami powietrza emitując promieniowanie rentgenowskie. Znów na czole
gromadzi się dużo elektronów i i proces powtarza się wielokrotnie, aż lider krokowy, który może
się wielokrotnie rozgałęziać, dotrze do ziemi. Trwa to zaledwie kilka ułamków sekundy.
Kiedy lider połączy ziemię i chmurę w powstałym zjonizowanym
kanale zaczyna płynąć prąd o dużym natężeniu i zgodnie z prawem
Joule'a wydziela się ciepło. Powietrze rozgrzewa do temperatury
sięgającej 30000°C. Powoduje to potężny błysk, a powietrze
rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża i
powstaje grzmot. Stąd huk jak przy wystrzale. Podczas przepływu
błyskawicy, powietrze na swojej drodze na ułamek sekundy zmienia
się w czwarty stan materii zwany plazmą. Prąd płynący w błyskawicy
ma natężenie w szczycie od 2000A do 200 000 A. Wzrasta on do
maksymalnego w czasie zaledwie 10 mikrosekund. Całe wyładowanie
trwa od 0,02 do 0,05 sekundy. Takich kolejnych uderzeń może być
wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze),
zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura
zaczyna się ponownie ładować przez co najmniej 5 s i proces może
nastąpić ponownie.
Na całej kuli ziemskiej uderza co minutę około 6000 piorunów,
najwięcej w rejonach tropikalnych. Najczęściej długość pioruna waha
się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały
więcej niż 10 km (rekordzista mierzył nawet 150 km). Zwykły piorun nazywany jest piorunem
liniowym. Znane są również pioruny międzychmurowe. Najbardziej tajemnicze są pioruny kuliste.
Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Dlatego
największe prawdopodobieństwo jest uderzenia pioruna w ostry wystający przedmiot. Na tej
zasadzie działają odgromniki, zwane potocznie piorunochronami.
Przebywanie w czasie burzy wiąże się z niebezpieczeństwem porażenia. Nie tylko bezpośrednio
ale także w pewnej odległości od miejsca uderzenia. Po uderzeniu ładunek spływa do ziemi i
powierzchnia wokół punktu uderzenia ma pewien potencjał, malejący z odległością. Podczas
poruszania się człowieka pojawia różnica potencjałów między jedną nogą a drugą, zwana
napięciem krokowym, może doprowadzić do porażenia. Najczęściej piorun uderza w drzewa,
wzgórza i wysokie obiekty (np. budynki). Dlatego najgorszym miejscem do schronienia się przed
burzą jest wysokie, odosobnione drzewo. Trzeba poszukać obniżenia terenu z daleka od
przedmiotów metalowych. Warto zostać w samochodzie, gdyż jest on swojego rodzaju puszką
Faradaya. Ładunki bowiem gromadzą się jedynie na zewnątrz przedmiotu metalowego, więc w
razie uderzenia pioruna w samochód, prąd spłynie po karoserii, nie wnikając do wnętrza. Osoby
przebywające w większej grupie powinny się rozproszyć. Podczas burzy bezpiecznie jest w
budynku, jaskini, kanionie. Ryzykowne jest pozostawanie w wodzie i na wodzie w łódce.
Przy opracowaniu tematu korzystano z następujących materiałów:
Podręcznik fizyki dla gimnazjum wydawnictwa Nowa Era, moduł trzeci,
Świat Nauki nr 6/2005,
http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_wn2.html
2010-01-06